第21届全国中学生物理竞赛复赛题试卷VIP免费

第1页共4页K3K2P1V1CC΄P0V0EFGIHK1编号：时间：2021年x月x日书山有路勤为径，学海无涯苦作舟页码：第1页共4页本卷共七题，满分140分.一、(20分)薄膜材料气密性能的优劣常用其透气系数来加以评判．对于均匀薄膜材料，在一定温度下，某种气体通过薄膜渗透过的气体分子数N=kΔPStd，其中t为渗透持续时间，S为薄膜的面积，d为薄膜的厚度，ΔP为薄膜两侧气体的压强差．k称为该薄膜材料在该温度下对该气体的透气系数．透气系数愈小，材料的气密性能愈好．图为测定薄膜材料对空气的透气系数的一种实验装置示意图．EFGI为渗透室，U形管左管上端与渗透室相通，右管上端封闭；U形管内横截面积A＝0.150cm2．实验中，首先测得薄膜的厚度d=0.66mm，再将薄膜固定于图中CC'处，从而把渗透室分为上下两部分，上面部分的容积V0=25.00cm3，下面部分连同U形管左管水面以上部分的总容积为V1，薄膜能够透气的面积S=1.00cm2．打开开关K1、K2与大气相通，大气的压强P1＝1.00atm，此时U形管右管中气柱长度H=20.00cm，V1=5.00cm3．关闭K1、K2后，打开开关K3，对渗透室上部分迅速充气至气体压强P0=2.00atm，关闭K3并开始计时．两小时后，U形管左管中的水面高度下降了ΔH=2.00cm．实验过程中，始终保持温度为0∘C．求该薄膜材料在0∘C时对空气的透气系数．（本实验中由于薄膜两侧的压强差在实验过程中不能保持恒定，在压强差变化不太大的情况下，可用计时开始时的压强差和计时结束时的压强差的平均值ΔP来代替公式中的ΔP．普适气体常量R=8.31Jmol-1K-1，1.00atm=1.013×105Pa）．二、(20分)两颗人造卫星绕地球沿同一椭圆轨道同向运动，它们通过轨道上同一点的时间第21届全国中学生物理竞赛复赛题试卷题号一二三四五六七总分得分阅卷人第2页共4页第1页共4页LS1S3PS2hh编号：时间：2021年x月x日书山有路勤为径，学海无涯苦作舟页码：第2页共4页相差半个周期．已知轨道近地点离地心的距离是地球半径R的2倍，卫星通过近地点时的速度v=√3GM/4R，式中M为地球质量，G为引力常量．卫星上装有同样的角度测量仪，可测出卫星与任意两点的两条连线之间的夹角．试设计一种测量方案，利用这两个测量仪测定太空中某星体与地心在某时刻的距离．（最后结果要求用测得量和地球半径R表示）三、(15分)子在相对自身静止的惯性参考系中的平均寿命τ0≈2.0×10−6s．宇宙射线与大气在高空某处发生核反应产生一批子，以v=0.99c的速度（c为真空中的光速）向下运动并衰变．根据放射性衰变定律，相对给定惯性参考系，若t=0时刻的粒子数为N(0),t时刻剩余的粒子数为N(t)，则有N(t)=N(0)e−t/τ，式中为相对该惯性系粒子的平均寿命．若能到达地面的子数为原来的5％，试估算子产生处相对于地面的高度h．不考虑重力和地磁场对子运动的影响．四、(20分)目前，大功率半导体激光器的主要结构形式是由许多发光区等距离地排列在一条直线上的长条状，通常称为激光二极管条．但这样的半导体激光器发出的是很多束发散光束，光能分布很不集中，不利于传输和应用．为了解决这个问题，需要根据具体应用的要求，对光束进行必需的变换（或称整形）．如果能把一个半导体激光二极管条发出的光变换成一束很细的平行光束，对半导体激光的传输和应用将是非常有意义的．为此，有人提出了先把多束发散光会聚到一点，再变换为平行光的方案，其基本原理可通过如下所述的简化了的情况来说明．如图，S1、S2、S3是等距离（h）地排列在一直线上的三个点光源，各自向垂直于它们的连线的同一方向发出半顶角为z第3页共4页第2页共4页rP2P1RAOaaAAADE编号：时间：2021年x月x日书山有路勤为径，学海无涯苦作舟页码：第3页共4页=arctan(1/4)的圆锥形光束．请使用三个完全相同的、焦距为f=1.50h、半径为r=0.75h的圆形薄凸透镜，经加工、组装成一个三者在同一平面内的组合透镜，使三束光都能全部投射到这个组合透镜上，且经透镜折射后的光线能全部会聚于z轴（以S2为起点，垂直于三个点光源连线，与光束中心线方向相同的射线）上距离S2为L=12.0h处的P点．（加工时可对透镜进行外形的改变，但不能改变透镜焦距．）1．求出组合透镜中每个透镜光心的位置．2．说明对三...